Biomembrány tvoří v buňce jeden funkčně i morfologicky propojený systém kromě vnitřní mitochondriální membrány.
- ve všech buňkách nalezneme velmi tenké membrány
- jejich tloušťka je asi 7,5nm
- jejich chemické složení a molekulární struktura je vždy velmi podobná
funkce:
-selektivní transport látek - realizují regulovaný přechod látek - z okolí do
buňky a naopak
-biotransformace energie (při fotosyntéze a oxidačních fosforylacích)
-schopnost pohybu a růstu
- jsou nazývány biomembrány - ohraničují buňku od okolí (plazmatická membrána)
- kompartmenty - membránové organely (mají též biomembrány)
(Teorie kompartmentů – komp. umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel, zajištění optimálních reakčních podmínek – pH, koncentrace iontů, koncentrace substrátu.)
- obsahují receptory pro nejrůznější chemické signály → tím se podílejí na toku
informace mezi buňkou a okolím, na toku informace uvnitř buňky a na signálních
interakcích mezi buňkami
- membránový princip je tedy jedním ze základních principů funkční organizace buněk
- u prokaryot - „pouze“ ohraničení buňky vůči okolí, vykonává všechny funkce
→ plazmatická membrána je z evolučního hlediska jednou z primárních buněčných
struktur vůbec - z ní pak derivovaly všechny ostatní membránové struktury dnešních
pro- a hlavně eukaryotních buněk
Molekulární struktura
1. chemické komponenty
- základem jsou molekuly lipidů a bílkovin
- většinou poměr zhruba 1:1hmotnosti (myelinové obaly nervových vláken - 3:1; vnitřní membrány
mitochondrií - 1:3) ale! poměr 1:1 = 50 molekul lipidů : 1 molekula bílkoviny
- v menší míře sacharidy - glykoproteiny, glykolipidy
Membránové lipidy
- fosfolipidy (fosfatidy)- glycerofosfatidy - lecitin, kefalin, serinkefalin
- sfingofosfatidy - sfingomyelin
steroly (cholesterol 25% všech lipidů v membráně u živočichů)
odlišnosti: membrány živočišných buněk obsahují více cholesterolu než membrány
rostlinných buněk
membrány bakteriálních buněk cholesterol neobsahují vůbec
→ poměr zastoupení lipidů je důležitou charakteristikou membrán
- délka řetězců mastných kyselin je různá , řetězce obsahují jednu či více dvojných vazeb – ohnutí řetězce
- omega-3 mastné kyseliny =DHA – dokosahexaenová kyselina ,EPA – eikosapentaenová kyselina, jsou to esenciální nenasycené mastné kyseliny. Esenciální znamená, že jsou pro lidské tělo nezbytné, přitom si je však nedokáže vytvořit a jediným zdrojem je potrava.
jsou důležité zejména pro řízení a souhru životních procesů v organismu, správnou funkci buněčných stěn, nervů, oka, imunity a srdečně-cévního systému. Hrají významnou roli v procesu zapamatovávání, potlačují záněty, a snižují produkci kyslíkových radikálů. Zejména v dětství jsou potřebné pro správný mentální vývoj -CNS .Mají rovněž příznivý účinek na zmírňování některých depresivních poruch.
polarita - fyzikální vlastnost důležitá pro prostorovou organizaci molekul fosfolipidů
- jeden konec mol. fosfolipidů zaujímají hydrofobní skupiny mastných kyselin
druhý konec: hydrofilní část molekuly s polárními skupinami (fosfát, -OH, -NH3+,-COO-)
- jsou amfifilní - navzájem se mohou vázat mezi sebou, nebo s jinými molekulami
hydrofobními a hydrofilní interakce
- lipidy mohou vytvářet jak biomembrány tak micely a je možnost přechodu mezi těmito dvěma strukturami
Bílkoviny
- většinou globulární proteiny
- často oligomérní proteiny
- glykoproteiny hojně zastoupeny
- př. molekula z membrán savčích krvinek glykoforin jeden z hlavních proteinů - jako celek je amfifilní
- konce molekuly jsou hydrofilní, střed pak hydrofobní
- nese antigenní determinanty krevních skupin ABO, MN
rodopsin - v tyčinkách (je v nich jedinou bílkovinou)
- fyzikálně-chemické vlastnosti proteinů (hlavně amfifilie) jsou zásadně důležité, určují charakter interakcí s druhou komponentou biomembrán – fosfolipidy – i charakter interakcí mezi bílkovinami samotnými
- membránové bílkoviny jsou proteiny funkční, tj. jsou zde zastoupeny enzymy,
receptorové proteiny, transportní proteiny atd.
Sacharidy
- glykoproteiny, glykolipidy
- vznik glykokalyxu
2. uspořádání molekul v biomembráně
- souvislá dvojitá vrstva lipidů - bimolekulární film
- molekuly bílkovin jsou připojeny buď na povrchu této dvojité vrstvy - periferní
proteiny nebo jsou do ní přímo zabudovány - integrální proteiny
→ mozaikový model = dvě vrstvy hydrofilní hlavičky jsou orientovány ven a hydrofobní
konce dovnitř → nejstabilnější konformace (minimální volná
energie)
- autoorganizace = spontánní tvorba filmu
- asymetrie = např. membrána živoč. bb. má na vnější starně – lecitin a sfingomyelin
na vnitřní straně – aminolipidy(kefaliny)
glykolipidy jsou vždy ve vnější vrstvě plazmatické membrány
cukerná složka fosfolipidů je vždy orientována na povrch buňky
řetězce mastných kyselin směřují dovnitř bim. filmu, jsou volně pohyblivé → vnitřek
bimolekulárního filmu má tekutý charakter - fluidita → mohou jím volně
difundovat různé nepolární molekuly
- průchodnost je ovlivněna: druhem fosfolipidů
teplotou
nenasycené uhlovodíky → více pohyblivé
cholesterol snižuje fluiditu (má stabilizační funkci) a snižuje bod přechodu
- bod přechodu = nejnižší teplota, kdy je membrána fluidní, poté už krystalizuje
- omezení fluidity - fixace proteinů na cytoskeletu, extracelulární matrix a těsné spoje
- síly (hydrofilní interakce mezi polárními konci a hydrofobní mezi apolárními) poutající
molekuly fosfolipidy navzájem jsou slabé → laterální migrace
- molekuly lipidů mohou volně rotovat kolem své osy a měnit svou vzájemnou pozici
- fluidně mozikový model membrány představili Singer a Nicolson v roce 1974
- nejlepší informace o rozmístění proteinů v membráně poskytuje mrazové lámání a leptání
- důkaz fluidity membrány:fůze buněk – pokud fůzují 2 buňky s fluorescenčně značenými membránovými proteiny jsou těsně po fuzi proteiny odděleny, ale po určité době se promíchají.
- toto se hodnotí buď na časosběrných filmech
nebo pohyb receptorů se dokazuje jako capping antigenů značených fluorescencí
(máme označené protilátky proti membránovým proteinům a sledujeme
pohyb)
Membránový princip
- eukaryotní buňka rozdělena biomembránou na membránové kompartmenty
- ostatní obsah buňky = cytosol
- metabolické procesy (některé enzymy vázané přímo na membránu)
- kompartmentace buňky → diferenciovaná metabolická funkce organel, jednotlivé metabolické procesy
probíhají odděleně od ostatních (lysozomy, kdyby nebyly kryty membránou, jejich
enzymy by mohly zlyzovat celou buňku) – vymezení fce enzymů do určitých blastí
- selektivně propustná membrána kompartmentu umožňuje zajistit relativně vysokou
koncentraci určitých enzymů a metabolitů
- specifické interakce mezi kompartmenty – spojování cestou splývání membrán je také cestou pro propojení
jednotlivých metabilických procesů a pro organizovaný přesun látek v buńce.
- kompartmentace umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých procesů
- relativně stabilní postavení organel v cytoplasmě udržuje cytoskeletární soustava.
Lokalizace proteinu v membráně
- máme 4 možnosti uložení proteinu na (v) membráně
1) periferní prot. ... jeho povrch je tvořen zbytky polárních AK, váží se hydrofilními interakcemi na
povrch hlavičky lipidů
2) penetrující ... molekuly s hydrofobními oblastmi se mohou vázat a apolárním vnitřkem membrány a
podle konformační amfifilie jsou tedy prot. různě hluboko zanořeny nebo filmem pocházejí =3)
3) transmembránové
4) transmembránové prot. nekovalentně interagující s perif. prot.
- úseky polypeptidového řetězce procházející napříč membránou mají konformaci
α-helixu nebo β-skládaného listu
- podle toho, kolikrát polypeptidový řetězec prochází membránou, je C-konec a N-konec
na stejné nebo opačné straně membrány
- podobně jako molekuly lipidů mohou migrovat (difundovat) v ploše membrán i
molekuly proteinů „jsou tekuté“
- biomembrána má tekutý charakter → model tekuté mozaiky
- tekutý (fluidní) charakter má význam pro funkci membrán: redistribuce proteinů na
různá místa membrány, inzerci nových proteinů, splývání (fúzi) různých biomembrán
Obecný význam membránového transportu
- u živočišné buňky tvoří membránové kompartmenty až polovinu objemu buňky
- evolucí biomembrán získala buňka velký vnitřní povrch, který má mj. význam pro
metabolické procesy, neboť mnoho enzymů je vázáno přímo na biomembrány
- kompartmenty umožňují diferencovanou metabolickou funkci organel → jednotlivé
metabolické procesy tak probíhají odděleně od ostatních
- specifické interakce mezi kompartmenty → přesun látek v buňce
- kompartmentace tedy umožňuje diferenciaci a současně koordinaci jednotlivých
procesů ve složitém metabolismu buňky – „manufaktura“
- relativně stabilní lokalizaci membránových organel v buňce udržuje cytoskeletární
soustava
Plazmatická membrána
= cytoplazmatická membrána = plasmalema - ohraničuje od okolí cytoplazmu (všechny buňky)
- realizuje regulovaný transport látek mezi buňkou a okolím
- je v ní lokalizováno množství receptorů
- je to struktura, která hraje klíčovou roli v toku látek, energie a informace mezi buňkou a
jejím okolím
Struktura plazmatické membrány
- je asymetrická
- sacharidová složka glykoproteinů a glykolipidů je orientována na vnější straně
(glykokalyx - ochranná vrstva)
- na glykokalyx jsou pak napojeny další molekuly, které, řadíme již k extracelulární matrix
- u buněk prokaryotních, rostlinných a buněk hub je periferně od ní buněčná stěna mezi je
periplazmatický prostor - místo, ve kterém probíhají některé metabolické procesy
- složení glykokalyx může vyjadřovat určitou specifitu buňky
- na vnitřní (plazmatické) straně jsou na plazmatickou membránu vždy připojeny
periferní proteiny (např. spektrin u erytrocytů) - ty jsou napojeny prostřednictví
asociovaných proteinů na komponenty cytoskeletu
- lektiny - cizorodé proteiny, ke kterým má sacharidová složka výraznou afinitu
- periferní proteiny - na vnitřní straně plazmatické membrány (př.: spektrin u erytrocytů) -
napojeny na komponenty cytoskeletu- * kortex
Membránový přenos
- plazmatická membrána - semipermeabilní
- volná difúze (fyzikální vlastnosti)
iontové kanály; přenašečový transport (nutnost membránových proteinů)
endo a exocytóza (manipulace částmi molekul)
- aktivní - nutnost dodat energii z ATP
- pasivní - prostá a usnadněná difúze (bez spotřeby energie)
Studium membrán
1) Erytrocytární stíny ... necháme červené krvinky zhemolyzovat , je snadné je získat a je jich mnoho, poté je
možnost je i otočit naruby....lze tak studovat jak vnitřní tak vnější povrch.
2) Liposomy ..., uměle připravené uzavřené váčky tvořené lipidovou dvojvrstvou a vnitřním isolovaným kompartmentem obsahujícím vodný roztok. Vznikají např. působením ultrazvuku na vodnou suspensi vhodných polárních lipidů; nejčastěji se pro tento účel používá lecitin z vaječného žloutku. Liposomy mají obvykle průměr 1 – 2 μm; mohou být tvořeny i několika koncentrickými membránovými váčky. Pokud liposom vzniká ve vodném prostředí, obsahujícím rozpustné složky (soli, bílkoviny atd.), jsou tyto složky uzavřeny do vnitřního prostředí váčku; toho se využívá pro transport některých léčiv do buněk (intravenosní aplikace vhodných liposomů, které pak vnikají do buněk endocytosou). Liposomy slouží též jako model pro studium vlastností biologických membrán.
3) Záplatování = patch clamp = napěťový zámek
Technika terčíkového zámku (patch clamp technique) umožňuje měření proudů (řádově 10-13 A) vyvolaných aktivací iontových kanálů. Je možné snímat proudy vzniklé aktivací jak řady iontových kanálů např. během synaptického přenosu (snímání z celé buňky), tak jediného iontového kanálu v izolovaném terčíku membrány.
K buněčné membráně je přisáta skleněná elektroda, a tím se vytvoří relativně pevné spojení s vysokým odporem. Příklady různých uspořádání hrotu mikroelektrody a membrány viz obrázek. Uspořádání cell attached, inside a outside patch umožňují měřit proudy protékané jedním či několika iontovými kanály izolovanými v terčíku membrány. V případě whole cell dostáváme odezvu od všech aktivovaných v membráně přítomných kanálů. Vyjma uspořádání cell attached lze během měření měnit pomocí aplikačního systému složení roztoku v okolí buňky (resp. membrány) a sledovat tak např. kinetiku iontových kanálů.
Žádné komentáře:
Okomentovat